振动和噪声无处不在。在航空航天、电子、核能等诸多工程科学领域，保障器件的安全和人员健康不受振动噪声损害尤为重要。当前的减振降噪技术多采用附加隔振设备，往往会使器件大型化，重量增加，不利于轻便化和成本控制。探索器件材料本身的阻尼性能将成为未来科技的发展方向之一。传统的金属材料在强度、韧性、阻尼等力学性能存在不兼容的问题，不能满足多场景应用需求。如何在增大阻尼的情况下不损失材料的强度、韧性、耐腐蚀性是器件结构材料发展的目标。目前在纳米科学领域有许多方案解决了金属材料强度与韧性的问题，其中之一是梯度纳米多晶金属，而该结构是否影响材料的阻尼性能，值得研究。
复旦大学童崎课题组通过大规模分子动力学模拟，研究了梯度纳晶的阻尼性能，发现梯度结构相比于均匀晶粒能有效提高金属材料的阻尼容量，这一特性归因于梯度排布形成晶界取向的长程有序，促使切应力能更好地激活晶界滑移。研究结果进一步拓宽了梯度纳晶的应用场景，为多晶金属材料中力学性能与阻尼性能的冲突提供了一种理想的解决方案。该成果近期以《梯度纳米多晶金属的更高阻尼》(Higher Damping Capacities in Gradient Nanograined Metals) 为题发表于《纳米快报》(Nano Letters)。
材料的强度和阻尼本质上都是受微观缺陷如位错和晶界运动影响，然而缺陷运动对两种性质通常起相反的作用，造成高强度和高阻尼无法兼得。论文分析了晶界滑移和位错运动两种阻尼机制。
首先通过模拟得到了晶粒尺寸相关的Hall-Patch位错增强和Inverse Hall-Patch晶界软化关系曲线，计算了均匀晶粒在两个区间的比阻尼容量，发现能量耗散在位错增强机制下的Hall-Patch区间内趋于平稳，这是由于阻尼测试中采用的是固定的应变幅值，在晶粒尺寸增大时，位错运动的空间效应无法充分发挥。
图1 位错和晶界运动阻尼机制: (a)-(b) 梯度结构和均匀晶粒的位错运动；(c)-(d) 梯度结构和均匀晶粒的晶界滑移
研究发现，在梯度纳米多晶结构中，晶界滑移明显比均匀晶体结构活跃。论文通过定义晶界滑移量k，定量比较了两者的差异。比阻尼容量的计算印证了梯度结构具有更大程度的能量耗散。在0.05的应变幅值下，梯度g=0.17的结构比均匀结构的比阻尼容量增加了18.6%。由于梯度结构中晶界面的取向长程有序，导致在拉伸/压缩过程中，斜面上的剪应力能够在晶粒间顺利地传递，晶界滑移能力得到了显著的解放。相比而言，均匀模型中的晶界面取向无序，从而导致相邻晶面上的剪切互锁，极大地限制了晶界滑移。因而梯度结构赋予了纳米多晶材料更加优秀的阻尼性能。梯度纳米晶体良好的强度-韧性兼容性已被广泛报道，本文进一步揭示了其高阻尼特性，无疑为该材料拓宽了应用前景。
图2 阻尼增强机制研究: (a) 不同应变幅值下的应力应变滞回曲线；(b) 比阻尼容量SDC与应变幅值的关系；(c) Hall-Patch位错增强和Inverse Hall-Patch晶界软化关系；(d) SDC与晶粒尺寸关系；(e) SDC的梯度增强效应
复旦大学航空航天系本科生钱晟为论文第一作者，童崎青年研究员为论文通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、上海市科委、复旦大学本科生学术研究资助计划的支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03600